Исследование электронной структуры молекул ArXe методами лазерной резонансной многофотонной ионизации и времяпролетной фотоэлектронной спектроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Шевкунов, Игорь Александрович

• Шевкунов, Игорь Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шевкунов, Игорь Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

1.1 .Спектроскопические исследования молекул АгХе.

1.2.Модели межатомных потенциалов взаимодействия.

1.3.Постановка задачи.

ГЛАВА 2. Экспериментальная установка.

2 Л .Сверхзвуковой молекулярный пучок.

2.2.REMPI-TOF Масс спектрометрия.

2.3.REMPI-PES Фотоэлектронная спектроскопия.

2.4.Экспериментальная установка.

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование Ван-дер-Ваальсовых молекул

АгХе.

3.1.Основные спектроскопические положения.

3.2.Фотоионные и фотоэлектронные спектры димерных молекул АгХе. 59 3.3 Проведение исследований по определению характеристик потенциальных поверхностей молекул АгХе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование электронной структуры молекул ArXe методами лазерной резонансной многофотонной ионизации и времяпролетной фотоэлектронной спектроскопии»

Двухатомные молекулы инертных газов играют важную роль в химических и физических процессах в разрядах эксимерных лазеров, в лазерах на ионах инертных газов, и лампах высокого давления [1-6]. В последние годы возрос интерес к спектрам смесей инертных газов, привлекательность вызвана тем, что гетероядерные молекулы, образующиеся в низкотемпературной плазме смесей, с высокой эффективностью преобразуют энергию, запасённую гомоядерными димерами, в узкополосное вакуумно-ультрафиолетовое (ВУФ) излучение, когда основная доля энергии аккумулируется гомоядерными димерами и затем трансформируется в узкополосное излучение гетероядерных димеров. Изучение этой цепочки процессов представляет значительный научный интерес [101]. Также известно, что лёгкие инертные газы влияют на операционные характеристики инфракрасного Хе (5(1—6р) лазера [9-17], в котором предполагается, что электронно-возбужденные гетеронуклеарные Ван-дер-Ваальсовы (ВдВ) молекулы инертных газов, И^Хе* Кг, Аг, №), являются важными промежуточными реагентами в реакциях, проходящих в среде лазера. Верхние состояния Хе*(5с1) наиболее вероятно заселяются через реакцию электронно-диссоциативной рекомбинации с участием 11§Хе+, а инверсная заселённость поддерживается быстрой столкновительной релаксацией нижних Хе*(6р) уровней [18-23]. Для моделирования столкновительных релаксаций в смесях инертных газов высокого давления требуются знания расположения уровней энергии между кривыми возбужденных состояний потенциальных энергий, сформированных сталкивающимися атомными парами. Также необходима информация о межъядерных расстояниях в молекулах. Для этой цели, спектральное разъяснение электронной структуры гетеронуклеарных молекул крайне важно. Более того, так как даже самые нижние по энергии состояния гетеронуклеарных димеров инертных газов напрямую связаны с силами дальнего действия, не смотря на сильные ковалентные или ионные взаимодействия [24], эти уровни могут быть рассмотрены в рамках предельного случая идеальных условий для изучения неадиабатических взаимодействий между Ридбергосвким электроном и ядром [25].

Но, несмотря на значительный прогресс в изучении электронных структур и динамики димеров инертных газов, начиная с первых измерений ВУФ электронных спектров [26-28] идентификация большого диапазона молекулярных систем остаётся неполной. А доступные описания свойств электронно-возбужденных уровней методами ab initio квантовой химии [29, 30] не достаточны для однозначной спектральной интерпретации. Цель работы:

Исследование электронной структуры гетеронуклеарных Ван-дер-Ваальсовых молекул АгХе. Получение молекулярных постоянных и потенциальных кривых возбужденных электронных состояний, а также процессов многофотонной ионизации этих молекул. Задачи исследования.

В рамках данной работы решались следующие задачи:

1. Создание установки для исследования электронной структуры молекул в условиях сверхзвукового молекулярного пучка методом резонансной многофотонной ионизации (REMPI) и методом фотоэлектронной спектроскопии (PES).

2. Получение фотоионных времяпролетных (REMPI - TOF) и фотоэлектронных времяпролетных (REMPI - PES) спектров молекул АгХе в широком интервале длин волн и энергий.

3. Анализ и интерпретация экспериментальных данных и получение молекулярных постоянных и потенциальных кривых для возбужденных состояний молекулы АгХе.

Методы исследования:

Поставленные в диссертации задачи решались методами лазерной резонансной многофотонной ионизации с времяпролётной регистрацией ионов (11ЕМР1-ТОР) и регистрацией электронов определённой постоянной энергии (ЯЕМР1-С18), а также резонансной многофотонной ионизации с времяпролётной регистрацией электронов (11ЕМР1-РЕ8).

Для получения исследуемых молекул использовался сверхзвуковой молекулярный пучок.

В рамках работы создана уникальная установка УСУ «УНИВЕР», сочетающая в себе возможность проведения одновременного эксперимента по всем трём методикам исследования. Защищаемые положения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Создание уникальной многофункциональной установки.

2. Увеличение информативности исследования изучаемых молекул при сочетании различных методов спектроскопий: резонансной многофотонной ионизации с времяпролётной регистрацией ионов (КЕМРГ-ТОР) и регистрацией электронов определённой постоянной энергии (11ЕМР1-С18), резонансной многофотонной ионизации с времяпролётной регистрацией электронов (ЯЕМР1-РЕ8).

3. Получение молекулярных постоянных для возбужденных состояний молекул АгХе в широкой энергетической области 77000-90100см"1.

Научная новизна.

В ходе работы были получены следующие оригинальные результаты:

1. Электронно-колебательные спектры молекул АгХе в области 77000-90100см-1.

2. Выделены 14 колебательных последовательностей вблизи Хе*(6р, 6р\ 7р, 7р\ 5с1, 7б, 6(1), 5 из которых зарегистрированы впервые. Для возбужденных состояний молекул АгХе в этой области определены молекулярные постоянные и построены потенциальные кривые.

Теоретическая и практическая ценность.

1. Результаты исследования являются фундаментальными и необходимы для понимания электронной структуры возбужденных состояний молекул, также являются базой для теоретических расчетов Ван-дер-Ваальсовых молекул.

2. Знание электронной структуры молекул важно для расчета реакций в рабочих средах эксимерных лазеров.

3. Созданная уникальная установка используется для широкого спектра исследований физических объектов, в том числе и для исследования электронно-колебательных структур Ван-дер-Ваальсовых молекул АгХе.

4. Проведенные в данной работе исследования электронно-колебательных спектров молекул АгХе представляют интерес как для разработки теоретических моделей, так и для прогнозирования возможностей создания источников света в области далёкого ультрафиолета, для которой данные об электронной структуре и потенциальных поверхностях димерных комплексов благородных газов отсутствуют.

Финансовая поддержка работы.

Работа была выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (государственный контракт N0. 16.513.11.3041) с использованием оборудования ЦКП «Аналитический центр нано- и биотехнологий ГОУ СПбГПУ» на базе ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» Личный вклад автора.

Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором под руководством его научного руководителя. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения. Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 2 печатные работы в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации—124 страниц, включая библиографию из 109 наименования. Работа содержит 46 рисунков, размещенных внутри глав.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Шевкунов, Игорь Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации были получены следующие основные результаты:

1. Создана установка и отработана методика исследования электронной структуры возбуждённых состояний молекул методами фотоионной и фотоэлектронной спектроскопий, ЯЕМР1-ТОР и ЛЕМР1-РЕ8.

2. Получены электронно-колебательные спектры молекул АгХе в области 77000-90100см"1. Выделены 14 колебательных последовательностей вблизи Хе*(6р, 6р\ 7р, 7р\ 5(1, 7б, 6(1). Для возбужденных состояний молекул АгХе в этой области определены молекулярные постоянные и построены потенциальные кривые.

3. Из анализа фотоионных и фотоэлектронных спектров получены данные о предиссоциации некоторых возбужденных состояний молекул АгХе.

4. Спектры, полученные методами (2+1) и (3+1) ИЕМР1, подтверждают эмпирические правила отбора для молекулярных переходов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шевкунов, Игорь Александрович, 2012 год

1. Excimer Lasers, 2nd ed., Topics in Applied Physics Vol. 30, edited by Ch. K. Rhodes (Springer-Verlag, Berlin, 1984).

2. Vacuum Ultraviolet Spectroscopy, edited by J. A.R. Samson and D. L.Ederer (Academic, San Diego, 2000).

3. J. P. Boeuf // J. Phys. D 36, R53 (2003).

4. J. G. Eden // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 1051 (2000).

5. J. J. Ewing // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 1061 (2000).

6. D. A. Zayarnyi, L. V. Semenova, N. N. Ustinovskii, I. V. Kholin, and A. Yu. Chugunov // Quantum Electron. 27, 957 (1997).

7. P. M. Dehmer and S. T. Pratt // J. Chem. Phys. 88, 4139 (1988).

8. R. H. Lipson and R. W. Field // J. Chem. Phys. 110, 10653 (1999) toward///.

9. L. A. Newman and T. A. DeTempIe // Appl. Phys. Lett., 1975, 27, 678. 10.S. A. Lawton, J. B. Richards, L. A. Newman, L. Specht and T. A. DeTempIe

10. J. Appl. Phys., 1979, 50, 3888. 11 .N. G. Basov, A. Yu. Chugunov, V. A. Danilchev, I. V. Kholin and M. N. Ustinovsky // IEEE J. Quantum Electron., 1983, QE-19, 126.

11. N. G. Basov, V. V. Baranov, A. Y. Chugunov, V. A. Danilchev, A. Y. Dudin, I. V. Kholin, N. N. Ustinovskii and D. A. Zayarnyi // IEEE J. Quantum Electron., 1985, QE-21, 1756.

12. C. L. Gordon, B. Feldman and C. P. Christensen // Opt. L ett.,1988, 13, 114.

13. M. Ohwa, T. J. Moratzand M. J. Kushner // J. Appl. Phys., 1989, 66, 5131. 15.Suda, B. L. Wexler, B. J. Feldman and K. J. Riley // Appl. Phys. Lett., 1989,54, 1305.

14. W. J. Alford and G. N. Hays // J. App. Phys., 1989, 65, 3760.

15. W. J. Alford, G. N. Hays, M. Ohwa and M. J. Kushner // J. Appl. Phys., 1991,69, 1844.

16. R. Vetter, R. Damaschini, J. Cahen and J. Brochard // J. Phys. B: At. Mol. Phys., 1975, 8, L275.

17. P. Moutard, P. LaPorte, N. Damany, J. L. Subtil and H. Damany // Chem. Phys. Lett., 1986, 132, 521.

18. J. Xu and D. W. Setser//J. Chem. Phys., 1990, 92, 4191.

19. W. J. Alford // IEEE J. Quantum Electron., 1990, 26, 1633.

20. J. Xu and D. W. Setser//J. Chem. Phys., 1991, 94, 4243.

21. W. J. Alford // J. Chem. Phys., 1992, 96, 4330

22. F. Holland, K. P. Huber, A. R. Hoy and R. H. Lipson. // J. Mol.Spectrosc., 1991, 145, 164.

23. N. Y. Du and C. H. Greene // J. Chem. Phys., 1989, 90, 6347.

24. D. M. Mao, X. K. Hu, Y. J. Shi, and R. H. Lipson // J. Chem. Phys. 111,2985 (1999).

25. D. M. Mao, X. K. Hu, Y. J. Shi, and R. H. Lipson // Phys. Chem. Chem.Phys. 3, 4258 (2001).

26. R. H. Lipson, X. K. Hu, J. B.A. Mitchell, and C. Froese-Fischer // Phys. Rev.A 68,012717(2003).

27. P. Dupläa and F. Spiegelmann // J. Chem. Phys. 105, 1492 (1996).

28. C. Jonin and F. Spiegelmann // J. Chem. Phys. 117, 3059 (2002).

29. M. C. Castex//J. Chem. Phys., 1977, 66, 3854.

30. D. E. Freeman, K. Yoshino and Y. Tanaka // J. Chem. Phys., 1977,67, 3462.

31. S. T. Pratt, P. M. Dehmer, and J. L. Dehmer // J. Chem. Phys. 82, 5758 (1985)

32. S. T. Pratt, P. M. Dehmer, and J. L. Dehmer // J. Chem. Phys. 83, 5380 (1985);

33. T. Tsuchizawa, K. Yamanouchi and T. Tsuchiya // J. Chem. Phys., 1990, 92, 1560.

34. C. D. Pibel, K. Yamanouchi, J. Miyawaki, S. Tsuchiya, B. Rajaram and R. W. Field // J. Chem. Phys., 1994, 101, 10242.

35. C. D. Pibel, K. Ohde and K. Yamanouchi // J. Chem. Phys., 1996, 105, 1825.

36. R. G. Bray and R. M. Hochstrasser // Mol. Phys., 1976, 31, 1199.

37. S. Liu, A. Hishikawa and K. Yamanouchi // J. Chem. Phys., 1998, 108, 5330.

38. D. M. Мао, X. K. Hu, S. S. Dimov and R. H. Lipson // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 1996, 29, L89.

39. D. M. Мао, X. К. Hu, H. A. Bascal, S. S. Dimov and R. H. Lipson // J. Chem. Phys., 1997, 107, 4817.

40. R. H. Lipson, S. S. Dimov, X. K. Hu, D. M. Mao and J. Y. Cai // J. Chem. Phys., 1995, 103,6313.

41. S. S. Dimov, X. K. Hu, D. M. Mao, J. Y. Cai and R. H. Lipson // J. Chem. Phys., 1996, 104, 1213.

42. Parson //J. Chem. Phys. 53, 3755 (1970)

43. M.V. Bobetic, J.A. Barker//J. Chem. Phys. 64, 2367 (1976);.

44. Aziz // J. Chem. Phys. 78, 2402 (1983)

45. W. Jager, Y. Xu // J. Chem. Phys. 99(2), 919-927 (1993)

46. Pibel // J. Chem. Phys. 105, 1825 (1996).

47. Tang Tonies // J. Chem. Phys. 118, 4976 (2003).

48. L. Piticco, F. Merkt, A. A. Cholewinski, F. R.W. McCourt, Robert J. Le Roy // Molecular Physics Vol. 109, No. 3, (2010).

49. L.Piticco, M.Schafer, F. Merkt // J. Chem. Phys. 136, 074304 (2012)

50. Сидоров Л.Н. // СОЖ, 2000, No 11, с. 46-51.

51. Сидоров Л.Н. //СОЖ, 1998, No 3, с. 65-71.

52. А.Т. Лебедев, «Масс-спектрометрия в органической химии» М.: Бином. Лаборатория знаний, 2003. 493 с.

53. Ходорковский М.А. и др.//ЖТФ.007. 77.Вып.10. С.22-29.

54. В.С. Летохов. Лазерная фотоионизационная спектроскопия. — М.: Наука, 1987

55. P.M.Jonsonand С.Е. Otis// Annu. Rev. Phys.32,139 (1981)

56. Carman H.S., Compton Jr. and R.N. // J.Chem.Phys. 1989. v. 90. № 3. P. 1307-1312

57. Ridley Т., Lawley K.P., Donovan R. J. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2004. v. 6. P. 5304-5312

58. Делоне Н.Б., Крайнов В.П. Атом в сильном световом поле. М.: Энергоатомиздат, 198461 .Бонч-Бруевич A.M., Ходовой В.А. // УФН. 1967. Т. 93. вып.1. С.71-109

59. Делоне Н.Б., КрайновВ.П. //УФН. 1995. Т. 165. вып.11. С. 1295-132163.Ä. Kvaran, Н Wang, В G Waage // Canadian Journal of Physics, 2001, 79(2-3): 197-210, 10.1139 p001-005

60. K. M'uller-Dethlefs et al // Chem. Phys. Lett. 112, 291 (1984)

61. S. L. Anderson et al // Chem. Phys. Lett. 93, 11 (1982)

62. K. Kimura // J. Electron Spectrosc. Related Phenom. 100, 273 (1999)

63. K. Kimura et al // Handbook of Hel Photoelectron Spectra of Fundamental Organic Molecules, Ionization Energies, ab initio Assignments, and Valence Electron Structure for 200 Molecules, (Halsted Press, New York; Japan Societies Press,Tokyo, 1981)

64. Г. Герцберг. Спектры и строение двухатомных молекул, пер. с англ. М. ИЛ, 1949, 403 с.

65. Dimov Х.К., Hu Х.К., Мао D.M., Lipson R.H. // Chem.Phys. Lett. 1995. V. 239. P. 332-338

66. J.Tellinghuisen, A. Ragone, M. S. Kim, D. J. Auerbach, R.E. Smalley, L.Wharton, D.H.Levy, // J.Chem. Phys 1979, 71, 1283

67. W.Hua // Phys.Rev.A 1990, 42,2524

68. J.E.Lennard-Jones // Proc.Roy.Soc A 1924, 106, 441

69. J.C.Slater, J.G.Kirkwood // Phys.Rev. 1931, 37, 682

70. D.E.Pritchard, F.Y.Chu 11 Phys.Rev. A 1970, 2, 1932

71. J.H. Dymond, M. Rigby, E.B.Smith 11 Phys.Fluids 1966, 9, 1222

72. J.Kopetski,J.B.Atkinson, L.Krause // J.Mol.Spectrosc.1997, 184, 300

73. W.Behmenburg // Z. Naturfosch 1972, 27a,31

74. G.C.Maitland, E.B.Smith // Chem.Phys.Lett. 1973, 22, 443

75. G.York, R.Scheps, A.Gallagher//J.Chem.Phys, 1975, 63, 1052

76. J. M. Parson, P.E.Siska, Y.T.Lee //J.Chem.Phys 1972, 56, 1511

77. J. O. Hirschfelder, C. F. Curtiss, and R. B. Bird, Molecular Theory of Gases and Liquids, Wiley, New York (1954).

78. R. A. Aziz and H. H. Chen // J. Chem. Phys., 67, 5719-5726 (1977).

79. J. Hepburn, G. Scoles // Chem. Phys. Lett., 36, 451-456 (1975).

80. R. Ahlrichs, R. Penco, and G. Scoles // Chem. Phys., 19, 119-130 (1977).

81. P. Slavicek, R. Kalus //J. Chem. Phys., 119, 2102-2119 (2003).

82. L. J. Danielson and M. Keil // J. Chem. Phys., 88, 851-870 (1988).

83. A. Barrow, M. J. Slaman, and R. A. Aziz // J. Chem. Phys., 91, 6348-6358 (1989).

84. P. Huxley, D. B. Knowles, J. N. Murrel, and J. D. Watts // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2, 80, 1349-1361 (1984).

85. K. T. Tang and J. P. Toennies // J. Chem. Phys., 80, 3726-3741 (1984).

86. R. A. Aziz and M. J. Slaman//Chem. Phys., 130, 187-194 (1989).

87. R. Eggenberger, S. Gerber, H. Huber, et al. // J. Chem. Phys., 99, 9163-9169(1993).

88. S. M. Cybulski and R. R. Toczylowski // J. Chem. Phys., Ill, 10520-10528 (1999).

89. T. P.Haley and S. M.Cybulski // J. Chem. Phys.,119, 5487-5496 (2003).

90. Ralchenko Yu., Kramida A. E., Reader J. and NIST ASD Team (2008). // NIST Atomic Spectra Database (version 3.1.5), Online. Available: http://physics.nist.gov/asd3 [2009, October 5]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD.

91. D M Мао, X К Hu, S S Dimov and R H Lipson //j.Phys.B: At. Mol. Opt. Phys 29 L89-94 1996

92. Ходорковский M. А., Беляева A.A., Ракчеева JI. П., Сердобинцев П. Ю.,Пастор А. А., Мельников А. С., Тимофеев Н. А., Hallin R., Siegbahn К. // Опт. и Спектр. 2008. Т. 104. № 5. с. 756-767

93. Н.Г. Басов, В.А. Данилычев, Ю.М. Попов, Д.Д. Ходкевич // Письма в ЖЭТФ, т. 12, в. 10, 473-474, 1970

94. Г.Н. Герасимов // УФН, т. 174, №2, 155-175, 2004

95. R. Н. Lipson, Р. Е. LaRocque, and В. P. Stoiche // J. Chem. Phys. 82(10), 4470^1478(1985)

96. D. M.Mao, X.K.Hu, Y.J.Shi, R,H.Lipson // Chem.Phys2000, 257, P.253

97. P.M.Dehmer, J.L. Dehmer// J. Chem. Phys. 1978,Vol.69,№l, P. 125-133

98. P.M.Dhemer, S.T.Pratt, J.L.Dhemer // J. Phys. Chem. 1987, Vol.91, P.2593 -2598.

99. G.N.Gerasimov, B.Krylov, R.Hallin, A.Arnesen, F. Heijkenskjold // Opt. and Spec, vol.83, №4, pp.534-540.

100. A.Morozov, B.Krylov, G.Gerasimov, R.Halin, A.Arnesen // EPJ D.,V.ll, pp. 379-385 (2000).

101. M.A.Khodorkovskii, S.V.Murashov, T.O.Artamonova, A.A.Beliaeva, L.P.Rakcheeva, A.A.Pastor, P.Yu.Serdobintsev, N.A.Timofeev, I.A.Shevkunov, I.A.Dement'ev and J.Nordgren // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 43 (2010) 155101

102. M.A.Khodorkovskii, S.V.Murashov, T.O.Artamonova, A.A.Beliaeva, L.P.Rakcheeva, A.A.Pastor, P.Yu.Serdobintsev, N.A.Timofeev, I.A.Shevkunov, I.A.Dement'ev and J.Nordgren // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 43 (2010) 235101